JP2015106627A - Semiconductor laminated substrate - Google Patents
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Abstract
Description
発明は、HEMT(High Electron Mobility Transistor)等に代表される半導体スイッチング素子に用いられる半導体積層基板に関する。 The present invention relates to a semiconductor multilayer substrate used for a semiconductor switching element typified by HEMT (High Electron Mobility Transistor).
窒化ガリウム(GaN)に代表されるIII−V族化合物半導体である窒化物半導体は、近年、パワーデバイス等のスイッチング素子への応用が期待されている。これは、窒化物半導体が、従来のシリコン(Si)を用いた半導体に比べ、バンドギャップが3.4eV程度と大きく、絶縁破壊電界が約10倍と高く、電子飽和速度が約2.5倍大きい等、パワーデバイスに好適な特性を有しているためである。 In recent years, nitride semiconductors, which are III-V group compound semiconductors represented by gallium nitride (GaN), are expected to be applied to switching elements such as power devices. This is because nitride semiconductors have a large band gap of about 3.4 eV, a dielectric breakdown electric field of about 10 times, and an electron saturation speed of about 2.5 times that of conventional semiconductors using silicon (Si). This is because it has characteristics suitable for power devices, such as being large.
例えば、炭化珪素(SiC)、サファイア(Al2O3)、シリコン(Si)等の基板上に、GaN/AlGaNのヘテロ構造を設けたスイッチング素子が提案されている。当該パワーデバイスでは、GaNの結晶構造(ウルツ鉱型)のC軸方向における非対称性構造に起因する自発分極に加え、AlGaN及びGaNの格子不整合に起因するピエゾ効果による分極により、1×1012cm−2から1×1013cm−2程度の高い電子密度の2次元電子ガス層が生じる。当該スイッチング素子は、当該2次元電子ガス層の電子密度を制御することによって、所定の電極間が電気的に接続される状態(オン状態)と、所定の電極間が電気的に接続されない状態(オフ状態)と、を切り替える。 For example, a switching element is proposed in which a GaN / AlGaN heterostructure is provided on a substrate such as silicon carbide (SiC), sapphire (Al 2 O 3 ), or silicon (Si). In the power device, in addition to the spontaneous polarization due to the asymmetric structure in the C-axis direction of the crystal structure of GaN (wurtzite type), the polarization due to the piezoelectric effect due to lattice mismatch of AlGaN and GaN results in 1 × 10 12 A two-dimensional electron gas layer having a high electron density of about cm −2 to 1 × 10 13 cm −2 is generated. The switching element controls the electron density of the two-dimensional electron gas layer so that predetermined electrodes are electrically connected (on state) and predetermined electrodes are not electrically connected ( (Off state).
上記スイッチング素子の断面構造の一例を図9に示す。図9に示す従来構造のスイッチング素子100は、基板101、基板101の上面に形成されるバッファ層102、バッファ層102の上面に形成される意図的に不純物がドープされていないノンドープのGaNからなる電子走行層103、及び、電子走行層103の上面に形成されるAlGaNからなる電子供給層104で構成される半導体結晶基板105と、電子供給層104の上面に形成されるソース電極106及びドレイン電極107と、ソース電極106及びドレイン電極107間に形成されるゲート電極108を備える。ゲートリーク電流抑制等のために、ゲート電極108が電子供給層104の上面にゲート絶縁膜109を介して形成される場合もあり、図9に例示する構造が該当する。
An example of a cross-sectional structure of the switching element is shown in FIG. 9 includes a
上記スイッチング素子100は、ノーマリオン型の素子であり、ゲート電極108の電位がソース電極106と同電位(両電極間の電圧が0V)の場合であっても、またゲート電極108が電圧の印加されていないフローティング状態の場合であっても、電子走行層103の電子供給層104と接する界面に2次元電子ガス層110が生じ、オン状態となる。ドレイン電極107の電位をソース電極106より高くすることで、ドレイン電極107とソース電極106の間に電流が流れる。
The
一方で、ゲート電極108の電位をソース電極106の電位を基準として閾値電圧よりも低電位の負電位にすると、ゲート電極108の下方において、電子走行層103の電子供給層104と接する界面に2次元電子ガス層110が生じず、オフ状態となる。この状態では、ドレイン電極107とソース電極106の間に電流は流れない。
On the other hand, when the potential of the
図10に示すように、電子走行層103とバッファ層102の間に、必要に応じて、電子走行層103よりも炭素濃度の高い耐圧層111が挿入される場合がある(例えば、特許文献1等参照)。耐圧層111を設けることにより、スイッチング素子の縦方向及び横方向の耐圧が改善され、リーク電流が抑制されることが期待されている。
As shown in FIG. 10, a pressure-
しかしながら、上記の半導体積層基板を用いたスイッチング素子においては下記のような問題が懸念される。 However, there are concerns about the following problems in switching elements using the above-described semiconductor multilayer substrate.
バッファ層102は、Al組成の異なる膜を2種類以上組み合わせて周期的に数十層積層した超格子層からなる場合と、上層に行くほどAl組成が低くなるように組成の異なる層を数層積層した傾斜バッファ層からなる場合と、その両者を組み合わせた場合がある。共通して言えるのは、バッファ層102は電子走行層103に比べ、Al組成が大きく、バンドギャップが大きいことである。
The
このため、電子走行層103の電子供給層104と接する界面で2次元電子ガス層110が発生するのと同様に、電子走行層103のバッファ層102と接する界面で2次元正孔ガス層112が発生する(図11(A)参照)。特許文献1に記載の耐圧層111を有する構造の場合(図10参照)、電子走行層103と耐圧層111のバンドギャップが同じか略同じ場合には、耐圧層111とバッファ層102の間がバンドギャップ差の大きなヘテロ接合界面となり、当該ヘテロ接合界面の耐圧層111側で2次元正孔ガス層112が発生する(図12参照)。
Therefore, the two-dimensional
この2次元正孔ガス層112は、スイッチング素子がオフ状態であっても、ゲート電極108の下方に形成される空乏層113により排斥されることがない(図11(B)参照)。従って、当該2次元正孔ガス層112が、ソース電極106とドレイン電極107の間での横方向リークの原因となる可能性がある。
The two-dimensional
特許文献1に記載のように、炭素を多く含む耐圧層を有する半導体積層基板を使用している場合、炭素原子は窒素原子に原子半径が近いため、耐圧層内の窒素欠陥を埋めるよう炭素原子に入り込んでいることが多く、当該炭素原子によって正孔が供給され得る。そのため、2次元正孔ガス層112の正孔密度がより高くなり、横方向リークが悪化する可能性がある。
As described in
尚、電子走行層103の電子供給層104と接する界面に発生する2次元キャリアガス層が、2次元電子ガス層ではなく2次元正孔ガス層となる場合にも、電子走行層103或いは耐圧層111のバッファ層102と接する界面に、スイッチング素子がオフ状態であっても空乏層113により排斥されない2次元電子ガス層が発生し得るため、上記と同様に、横方向リークの原因となる可能性がある。
Even when the two-dimensional carrier gas layer generated at the interface of the
本発明は、上記の問題点に鑑み、横方向リーク源となり得る2次元キャリアガスの発生の抑制された半導体積層基板を提供することを目的とする。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a semiconductor laminated substrate in which generation of a two-dimensional carrier gas that can be a lateral leakage source is suppressed.
上記目的を達成するため、本発明は、窒化物半導体の第1、第2、第3及び第4半導体層を備え、前記第2半導体層が前記第1半導体層の上方に配置され、前記第3半導体層が前記第2半導体層の上面上に配置され、前記第4半導体層が前記第1半導体層の上面上、且つ、前記第2半導体層の下方に配置され、前記第2半導体層及び前記第4半導体層のバンドギャップが夫々前記第1半導体層より小さく、前記第3半導体層のバンドギャップが前記第2半導体層より大きく、前記第2半導体層と前記第3半導体層が、ヘテロ接合し、前記第2及び第3半導体層間の界面の前記第2半導体層側に第1の2次元キャリアガス層が発生可能に構成され、前記第2半導体層の下面側界面、及び、前記第4半導体層の上面側界面において、他方側の半導体層との間のバンドギャップ差が、無いか、若しくは、前記第1の2次元キャリアガス層とは逆導電型の第2の2次元キャリアガス層が発生し得ない程度に微小であり、前記第1半導体層と前記第4半導体層がヘテロ接合し、前記第4半導体層に、前記第1の2次元キャリアガス層を形成するキャリアと同じ導電型の不純物が存在することを特徴とする半導体積層基板を提供する。 In order to achieve the above object, the present invention includes first, second, third and fourth semiconductor layers of nitride semiconductor, the second semiconductor layer being disposed above the first semiconductor layer, Three semiconductor layers are disposed on the upper surface of the second semiconductor layer, the fourth semiconductor layer is disposed on the upper surface of the first semiconductor layer and below the second semiconductor layer, and the second semiconductor layer and The band gap of the fourth semiconductor layer is smaller than that of the first semiconductor layer, the band gap of the third semiconductor layer is larger than that of the second semiconductor layer, and the second semiconductor layer and the third semiconductor layer are heterojunction. The first two-dimensional carrier gas layer is configured to be generated on the second semiconductor layer side of the interface between the second and third semiconductor layers, the lower surface side interface of the second semiconductor layer, and the fourth Semiconductor on the other side at the upper surface side interface of the semiconductor layer There is no band gap difference between the first layer and the first two-dimensional carrier gas layer, or the second two-dimensional carrier gas layer having a conductivity opposite to that of the first two-dimensional carrier gas layer cannot be generated. A semiconductor having a heterojunction between a first semiconductor layer and the fourth semiconductor layer, and an impurity having the same conductivity type as a carrier forming the first two-dimensional carrier gas layer is present in the fourth semiconductor layer. A multilayer substrate is provided.
上記特徴の半導体積層基板では、第1半導体層の上面上、且つ、第2半導体層の下方に第4半導体層が挿入されたことで、第1半導体層と第2半導体層が直接ヘテロ接合した場合に、その界面の第2半導体層側近傍において発生する可能性のあった、第2及び第3半導体層間の界面の第2半導体層側に発生する第1の2次元キャリアガス層と逆導電型の第2の2次元キャリアガス層は、第2半導体層の下面側界面、及び、第4半導体層の上面側界面では発生せず、第1及び第4半導体層間の界面の第4半導体層側に移動して発生する可能性がある。しかし、当該第2の2次元キャリアガス層が発生する可能性のある箇所に、第1の2次元キャリアガス層を形成するキャリアと同じ導電型の不純物が存在することで、当該不純物によって生成されるキャリアと第2の2次元キャリアガス層のキャリアが互いに逆導電性であるので打ち消し合い、第2の2次元キャリアガス層中のキャリア密度が低下し、当該第2の2次元キャリアガス層の電気伝導度が大幅に低下する。従って、上記特徴の半導体積層基板を使用することで、当該第2の2次元キャリアガス層に起因する横方向リークが抑制される。 In the semiconductor laminated substrate having the above characteristics, the first semiconductor layer and the second semiconductor layer are directly heterojunctioned by inserting the fourth semiconductor layer on the upper surface of the first semiconductor layer and below the second semiconductor layer. The first two-dimensional carrier gas layer generated on the second semiconductor layer side of the interface between the second and third semiconductor layers, which may be generated in the vicinity of the second semiconductor layer side of the interface. The second two-dimensional carrier gas layer of the mold does not occur at the lower surface side interface of the second semiconductor layer and the upper surface side interface of the fourth semiconductor layer, and the fourth semiconductor layer at the interface between the first and fourth semiconductor layers It may occur when moving to the side. However, an impurity having the same conductivity type as that of the carrier forming the first two-dimensional carrier gas layer is present at a place where the second two-dimensional carrier gas layer may be generated. The carriers in the second two-dimensional carrier gas layer cancel each other because they are oppositely conductive, so that the carrier density in the second two-dimensional carrier gas layer decreases, and the second two-dimensional carrier gas layer Electrical conductivity is greatly reduced. Therefore, by using the semiconductor multilayer substrate having the above characteristics, lateral leakage due to the second two-dimensional carrier gas layer is suppressed.
尚、第1の2次元キャリアガス層が、例えば、2次元電子ガス層の場合は、第2の2次元キャリアガス層は2次元正孔ガス層であり、第1及び第4半導体層間の界面の第4半導体層側に存在する不純物はn型の不純物である。 When the first two-dimensional carrier gas layer is, for example, a two-dimensional electron gas layer, the second two-dimensional carrier gas layer is a two-dimensional hole gas layer, and the interface between the first and fourth semiconductor layers. Impurities existing on the fourth semiconductor layer side are n-type impurities.
更に好ましくは、上記特徴の半導体積層基板は、前記不純物は、前記第4半導体層の形成過程において添加された不純物を含む。 More preferably, in the semiconductor multilayer substrate having the above characteristics, the impurity includes an impurity added in the formation process of the fourth semiconductor layer.
具体的には、当該不純物は、第4半導体層への意図的なドープ等によって存在することになるので、当該不純物の濃度を、第2の2次元キャリアガス層のキャリア密度に応じて適正に調整することができる。 Specifically, since the impurity is present by intentional doping or the like to the fourth semiconductor layer, the concentration of the impurity is appropriately set according to the carrier density of the second two-dimensional carrier gas layer. Can be adjusted.
更に好ましくは、上記特徴の半導体積層基板は、前記第4半導体層の上面上、且つ、前記第2半導体層の下方に形成され、バンドギャップが前記第1半導体層より小さく、前記第2半導体層より炭素濃度の高い窒化物半導体の第5半導体層を、更に備える。 More preferably, the semiconductor multilayer substrate having the above characteristics is formed on an upper surface of the fourth semiconductor layer and below the second semiconductor layer, and has a band gap smaller than that of the first semiconductor layer, and the second semiconductor layer. A fifth semiconductor layer of a nitride semiconductor having a higher carbon concentration is further provided.
第5半導体層を備えることで、本半導体積層基板を使用したスイッチング素子において、縦方向及び横方向の耐圧が改善され、リーク電流が抑制されることが期待される。しかし、第2の2次元キャリアガス層が2次元正孔ガス層の場合は、上述の如く、第5半導体層から2次元正孔ガス層への正孔供給が発生し得るため、2次元正孔ガス層の正孔密度が上昇する可能性がある。しかし、本半導体積層基板では、2次元正孔ガス層が発生する可能性のある箇所に、第2の2次元キャリアガス層(2次元正孔ガス層)のキャリアと逆導電型の不純物(n型の不純物)が存在することで、2次元正孔ガス層の正孔密度の上昇を抑え、更に、低下させることが可能となる。これにより、第5半導体層を備えることで被る不利益を排除して、第5半導体層を備えることによる利益を享受することができる。 By providing the fifth semiconductor layer, it is expected that the breakdown voltage in the vertical direction and the horizontal direction is improved and the leakage current is suppressed in the switching element using the semiconductor laminated substrate. However, when the second two-dimensional carrier gas layer is a two-dimensional hole gas layer, as described above, hole supply from the fifth semiconductor layer to the two-dimensional hole gas layer can occur, so that the two-dimensional positive gas layer is generated. The hole density of the hole gas layer may increase. However, in this semiconductor multi-layer substrate, impurities of a conductivity type opposite to the carriers of the second two-dimensional carrier gas layer (two-dimensional hole gas layer) (n Type impurity), the increase in the hole density of the two-dimensional hole gas layer can be suppressed and further reduced. Thereby, the disadvantages caused by providing the fifth semiconductor layer can be eliminated, and the benefits of providing the fifth semiconductor layer can be enjoyed.
更に好ましくは、上記特徴の半導体積層基板は、前記第4半導体層が、不純物濃度と不純物の元素の少なくとも何れか一方が相互に異なる複数層で構成されている。 More preferably, in the semiconductor multilayer substrate having the above characteristics, the fourth semiconductor layer is formed of a plurality of layers in which at least one of an impurity concentration and an impurity element is different from each other.
このように、第4半導体層を複数層で構成することで、後述するように、縦方向の耐圧の向上や、第4半導体層の上側の半導体層の結晶性悪化の防止等を図ることができる。 As described above, by configuring the fourth semiconductor layer with a plurality of layers, as will be described later, it is possible to improve the vertical breakdown voltage, prevent the crystallinity of the semiconductor layer above the fourth semiconductor layer from deteriorating, and the like. it can.
ここで、第4半導体層を不純物濃度の異なる複数層で構成する場合、不純物濃度の高い層ほど、第1半導体層に近く配置するのが好ましい。また、第4半導体層を不純物元素の異なる複数層で構成する場合、置換される原子と原子半径の近い不純物ほど、第1半導体層に近く配置するのが好ましい。 Here, when the fourth semiconductor layer is formed of a plurality of layers having different impurity concentrations, it is preferable that the higher the impurity concentration, the closer to the first semiconductor layer. In the case where the fourth semiconductor layer is composed of a plurality of layers having different impurity elements, it is preferable that an impurity having an atomic radius closer to that of a substituted atom is arranged closer to the first semiconductor layer.
更に好ましくは、上記特徴の半導体積層基板は、前記第1の2次元キャリアガス層が2次元電子ガス層であり、前記第2の2次元キャリアガス層が2次元正孔ガス層であり、前記第1半導体層と前記第4半導体層の界面の前記第4半導体層側に存在する不純物がn型の不純物である。 More preferably, in the semiconductor multilayer substrate having the above characteristics, the first two-dimensional carrier gas layer is a two-dimensional electron gas layer, the second two-dimensional carrier gas layer is a two-dimensional hole gas layer, An impurity present on the fourth semiconductor layer side of the interface between the first semiconductor layer and the fourth semiconductor layer is an n-type impurity.
更に好ましくは、上記特徴の半導体積層基板は、前記第4半導体層が、前記n型の不純物としてSi、Ge、Sn、S、Te、O、Seの内の1種類または2種類以上の元素を含む。 More preferably, in the semiconductor multilayer substrate having the above characteristics, the fourth semiconductor layer has one or more elements selected from Si, Ge, Sn, S, Te, O, and Se as the n-type impurity. Including.
更に、上記特徴の半導体積層基板は、前記第4半導体層内に存在する多数キャリアである電子が、前記第4半導体層の第1半導体層との接合界面に発生する2次元正孔ガス層の正孔と再結合することで、前記2次元正孔ガス層の正孔密度が低減されていることを特徴とする。 Furthermore, the semiconductor multilayer substrate having the above-described characteristics is a two-dimensional hole gas layer in which electrons, which are majority carriers existing in the fourth semiconductor layer, are generated at the junction interface between the fourth semiconductor layer and the first semiconductor layer. The hole density of the two-dimensional hole gas layer is reduced by recombination with holes.
本発明は、更に、上記何れかの特徴の半導体積層基板と、前記半導体積層基板の前記第3半導体層の上面上に形成されたソース電極及びドレイン電極と、前記ソース電極と前記ドレイン電極の間の前記第3半導体層の上面上または上方に形成されたゲート電極と、を備えてなることを特徴とする半導体スイッチング素子を提供する。 The present invention further provides a semiconductor multilayer substrate having any one of the above characteristics, a source electrode and a drain electrode formed on an upper surface of the third semiconductor layer of the semiconductor multilayer substrate, and between the source electrode and the drain electrode. And a gate electrode formed on or above the third semiconductor layer. A semiconductor switching element is provided.
以上より、上記特徴の半導体積層基板を使用することにより、横方向リークの抑制されや半導体スイッチング素子を提供することができる。 As described above, by using the semiconductor laminated substrate having the above characteristics, it is possible to provide a semiconductor switching element in which lateral leakage is suppressed.
以下に、本発明に係る半導体積層基板(以降、適宜「本積層基板」と称する)の実施形態について、図面を参照して説明する。尚、以下の各実施形態では、説明の理解を容易にするために、各図において同一の構成要素には同一の符号を付して説明する。また、各図の構造断面図では、適宜、要部が強調して示されており、図面上の各構成要素の寸法比と実際の寸法比とは必ずしも一致するものではない。 Hereinafter, embodiments of a semiconductor multilayer substrate according to the present invention (hereinafter, appropriately referred to as “the present multilayer substrate”) will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, the same components are denoted by the same reference numerals in the drawings to facilitate the understanding of the description. Further, in the structural cross-sectional views of the respective drawings, the main parts are appropriately emphasized, and the dimensional ratios of the respective constituent elements on the drawings do not necessarily coincide with the actual dimensional ratios.
〈第1実施形態〉
第1実施形態に係る本積層基板1の構成例を、図1の構造断面図に示す。図1に示すように、本積層基板1は、基板11、基板11の上面上に形成されたバッファ層12、バッファ層12の上方に形成された電子走行層13、電子走行層13の上面上に形成された電子供給層14、バッファ層12の上面上、且つ、電子走行層13の下方に形成されたn型層15を備える。バッファ層12、電子走行層13、電子供給層14、及び、n型層15は、夫々順番に、第1、第2、第3及び第4半導体層に相当し、何れも、周知の気相エピタキシャル成長法(例えば、MOCVD(有機金属化学的気相成長法)、MBE(分子線エピタキシ法)等)によって形成されるIII族窒化物半導体である。
<First Embodiment>
A structural example of the
基板11は、例えば、シリコン(Si)、炭化珪素(SiC)、サファイア(Al2O3)、窒化ガリウム(GaN)、窒化アルミニウム(AlN)、酸化亜鉛(ZnO)、ガリウム砒素(GaAs)等から選択される。バッファ層12は、例えば、AlWGa1−WN(但し、0≦W≦1)からなる。バッファ層12は、AlN(W=1の場合)、及び、GaN(W=0の場合)を含む。尚、基板11は、バッファ層12と同じ窒化物半導体を使用しても良い。また、基板11及びバッファ層12は、本積層基板1の反りやクラックが抑制されている限り、上記例示のものに限定されず、どのようなものを選択しても良い。
The
電子走行層13は、例えば、厚さが1μm以上5μm以下のノンドープのInXGa1−XN(但し、0≦X≦1)からなる。電子走行層13は、X=1の場合にInN、X=0の場合にGaNとなる。電子走行層13は結晶性が良いことが要求されるため、炭素濃度は1×1018cm−3以下が望ましく、更には、1×1016cm−3以下であることがより望ましい。尚、In組成比Xは0以上1以下の範囲を取り得るが、電子走行層13のバンドギャップは、バッファ層12のバンドギャップより小さいため、バッファ層12がGaN(W=0)の場合には、In組成比Xは0より大きく設定する。
The
電子供給層14は、例えば、厚さが10nm以上100nm以下のノンドープAlZGa1−ZN(但し、0<Z≦1)からなる。0.1≦Z≦0.3がより好ましい。尚、電子供給層14は、InYAlZGa1−Y−ZN(但し、0≦Y≦1、0<Z≦1)の4元窒化物半導体であっても良い。但し、電子供給層14のバンドギャップは、電子走行層13のバンドギャップよりも大きく、電子走行層13と電子供給層14はヘテロ接合している。このヘテロ接合界面の電子走行層13側近傍に、2次元電子ガス層16(第1の2次元キャリアガス層に相当)が生じる。尚、電子供給層14は、n型にドープされていても良く、この場合の不純物濃度としては、1×1016cm−3〜1×1019cm−3程度が好ましい。
n型層15は、例えば、厚さが1nm以上100nm以下のInXGa1−XN(但し、0≦X≦1)からなる。本実施形態では、n型層15のIn組成比Xは、電子走行層13のIn組成比Xと同じで、両層13,15のバンドギャップは同じである。尚、両層13,15のIn組成比Xは必ずしも同じでなくても構わないが、その差は、n型層15と電子走行層13の界面近傍に、2次元正孔ガス層(第2の2次元キャリアガス層に相当)が発生しない程度に微小であれば良い(例えば、バンドギャップ差にして0.2eV以下)。また、n型層15内の正孔発生源となり得る炭素の濃度は、1×1018cm−3以下が望ましく、更には、1×1016cm−3以下であることがより望ましい。
n-
本実施形態では、n型層15には、Si、Ge、Sn、S、Te、O、Se等の内の1種類または2種類以上のn型の不純物が存在し、n型の導電性を呈する場合を想定する。上記n型の不純物の一つである酸素は、意図的にドープしなくても、例えば、装置部材である石英等から放出される酸素や、ウェハの搬入出や部材交換でチャンバーが大気に開放されたときに入った酸素が残って膜中に取り込まれる等の理由より、n型層15内に、1×1014cm−3〜1×1018cm−3程度の濃度範囲で含まれる可能性があり、n型層15は、意図的に上記n型の不純物をドープしなくてもn型の導電性を呈し得る。尚、上記理由より、意図的にドープしない場合におけるn型層15中の酸素濃度は、真空度の高いMBEよりMOCVDで成膜した場合の方が高くなる傾向がある。
In the present embodiment, the n-
従って、上述のn型の不純物をn型層15内に意図的にドープしない場合にn型層15内に存在する酸素の濃度が、バッファ層12とn型層15間のヘテロ接合界面のn型層15側に発生し得る2次元正孔ガス層の、n型層15内の多数キャリアである電子と再結合して低下する前の正孔密度(体積密度換算)に対して、同程度(例えば、0.1〜1倍程度)の密度となる多数キャリアである電子を供給し得る場合は、n型層15は、意図的に上記n型の不純物がドープされていないノンドープ層であっても良い。
Therefore, when the above-described n-type impurity is not intentionally doped into the n-
しかし、上記2次元正孔ガス層の低下前の正孔密度(体積密度換算)が、上記酸素濃度に比して高い場合は、バッファ層12とn型層15間のヘテロ接合界面のn型層15側に高い正孔密度で2次元正孔ガス層が発生するため、n型層15内にn型の不純物を意図的にドープして、当該2次元正孔ガス層の正孔密度を積極的に低下させ、当該2次元正孔ガス層の発生を抑制する。
However, when the hole density before conversion of the two-dimensional hole gas layer (in terms of volume density) is higher than the oxygen concentration, the n-type at the heterojunction interface between the
一例として、電子走行層13と電子供給層14間のヘテロ接合界面に発生する2次元電子ガス層16の電子密度(面密度)が1×1013cm−2程度と特に高い場合等において、バッファ層12とn型層15間のヘテロ接合界面に発生する2次元正孔ガス層の正孔密度(面密度)も1×1012cm−2を大きく越えてくる場合に、体積密度に換算して、ノンドープのn型層15内の酸素濃度(1×1014cm−3〜1×1018cm−3程度)を大きく超えるため、当該ノンドープのn型層15内の電子では、当該2次元正孔ガス層の正孔を相殺しきれないため、n型層15内にn型の不純物を意図的にドープする。また、上記2次元正孔ガス層の正孔密度(面密度)が1×1012cm−2を大きく越えていない場合でも、それに比して、ノンドープのn型層15内の酸素濃度が低い場合は、n型層15内にn型の不純物を意図的にドープする。
As an example, when the electron density (surface density) of the two-dimensional
ここで、n型層15内にn型の不純物を意図的にドープする場合、過剰にドープすると、上記2次元正孔ガス層の正孔と相殺後も電子が多数残存することになり、当該残存する電子が、当該2次元正孔ガス層に代わって横方向のリーク源となり得るため、n型の不純物を意図的にドープするドープ層の厚みは、5nm以下、好ましくは3nm以下に制限するのが好ましい。つまり、当該2次元正孔ガス層が発生し得る可能性のある領域に限定してn型の不純物を意図的にドープするのが好ましい。これにより、当該2次元正孔ガス層の正孔と相殺後に残存する電子が新たな横方向のリーク源となるのを抑制できる。
Here, when the n-type impurity is intentionally doped in the n-
更に、ドープ層の厚みを制限するのに代えて或いは追加して、n型不純物の高濃度領域を、横方向成長し難い条件(MOCVDの場合では、通常の成長条件に対して、一例として、低温、低圧、有機金属ガス流量大、アンモニア流量小、SiH4やGeCl4等の不純物ガス流量大、とする等)を用いて、バッファ層12の上面上において横方向(基板11の上面に平行な方向であって、本積層基板1を使用する半導体スイッチング素子のドレイン電極とソース電極間の電流が流れる方向。)に複数に離散させて形成し、その上側に、ノンドープ或いはn型の低濃度ドープ層を全面に形成して、n型層15を形成するのも好ましい。これにより、当該2次元正孔ガス層の正孔と相殺後に残存する電子が新たな横方向のリーク源となるのを抑制できる。
Further, instead of or in addition to limiting the thickness of the doped layer, the high concentration region of the n-type impurity is difficult to grow in the lateral direction (in the case of MOCVD, as an example of the normal growth condition, Using the low temperature, the low pressure, the high organometallic gas flow rate, the low ammonia flow rate, the high impurity gas flow rate such as SiH 4 or GeCl 4, etc., the lateral direction (parallel to the upper surface of the substrate 11) on the upper surface of the
以上の結果、バッファ層12とn型層15間のヘテロ接合界面のn型層15側に発生し得る2次元正孔ガス層の正孔密度に応じた不純物濃度となるようにn型の不純物を有するn型層15を形成することで、n型層15内の電子が当該2次元正孔ガス層の正孔と相殺し、当該2次元正孔ガス層の正孔密度が低下し、電気伝導度が大幅に低下するため、本積層基板1の横方向リークを大幅に低減できる。
As a result of the above, the n-type impurity is adjusted so that the impurity concentration corresponds to the hole density of the two-dimensional hole gas layer that can be generated on the n-
〈第2実施形態〉
第2実施形態に係る本積層基板2の構成例を、図2の構造断面図に示す。図2に示すように、本積層基板2は、基板11、基板11の上面上に形成されたバッファ層12、バッファ層12の上方に形成された電子走行層13、電子走行層13の上面上に形成された電子供給層14、バッファ層12の上面上、且つ、電子走行層13の下方に形成されたn型層15、n型層15の上面上、且つ、電子走行層13の下方に形成された耐圧層17を備える。バッファ層12、電子走行層13、電子供給層14、n型層15、及び、耐圧層17は、夫々順番に、第1、第2、第3、第4及び第5半導体層に相当し、何れも、周知の気相エピタキシャル成長法(例えば、MOCVD(有機金属化学的気相成長法)、MBE(分子線エピタキシ法)等)によって形成されるIII族窒化物半導体である。
Second Embodiment
A structural example of the
本積層基板2と第1実施形態の本積層基板1の相違点は、本積層基板2では、n型層15と電子走行層13の間に耐圧層17を備えている点であり、基板11、バッファ層12、電子走行層13、電子供給層14、及び、n型層15については、第1実施形態の本積層基板1と同じであり、重複する説明は割愛する。
The difference between the
耐圧層17は、例えば、厚さが10nm以上5μm以下の炭素濃度が1×1018cm−3以上のノンドープのInXGa1−XN(但し、0≦X≦1)からなる。耐圧層17は、X=1の場合にInN、X=0の場合にGaNとなる。本実施形態では、耐圧層17のIn組成比Xは、電子走行層13及びn型層15のIn組成比Xと同じで、各層13,15,17のバンドギャップは同じである。尚、各層13,15,17のIn組成比Xは必ずしも同じでなくても構わないが、その差は、耐圧層17と電子走行層13の界面近傍、及び、n型層15と耐圧層17の界面近傍に、2次元正孔ガス層(第2の2次元キャリアガス層に相当)が発生しない程度に微小(実質的に0)であれば良い(例えば、バンドギャップ差にして0.2eV以下)。
The
本実施形態では、炭素濃度が1×1018cm−3以上の耐圧層17がn型層15の上面上に存在するために、本積層基板2の縦方向の耐圧改善効果が見込まれる。しかしながら、耐圧層17中の炭素原子が窒素原子と原子半径が近いため、耐圧層17内の窒素欠陥を埋めるように炭素原子が入り込んでいることが多く、その場合、バッファ層12とn型層15間のヘテロ接合界面のn型層15側に発生し得る2次元正孔ガス層に対して、正孔を供給し得る。従って、耐圧層17を備えていない第1実施形態の本積層基板1と比べて、当該2次元正孔ガス層の正孔密度がより高くなる可能性がある。
In the present embodiment, since the
第1実施形態において上述した通り、n型層15は、意図的にn型の不純物をドープしなくても、n型の不純物の一つである酸素が、1×1014cm−3〜1×1018cm−3程度の濃度範囲で含まれている可能性があり、n型の導電性を呈し得る。従って、耐圧層17から上記2次元正孔ガス層へ正孔が供給される場合であっても、n型層15内の電子と再結合して低下する前の当該2次元正孔ガス層の正孔密度(体積密度換算)に対して、n型層15が、同程度(例えば、0.1〜1倍程度)の濃度となる電子を供給し得る場合は、n型層15内に意図的にn型の不純物をドープしないノンドープ層であっても良い。
As described above in the first embodiment, the n-
しかし、電子走行層13と電子供給層14間のヘテロ接合界面に発生する2次元電子ガス層16の電子密度(面密度)が1×1013cm−2程度と特に高い場合以外にも、耐圧層17の炭素濃度が1×1019cm−3程度と特に高い場合にも、バッファ層12とn型層15間のヘテロ接合界面に発生する2次元正孔ガス層の正孔密度(面密度)が1×1012cm−2を大きく越えてくる場合がある。斯かる場合には、体積密度に換算して、ノンドープのn型層15内の酸素濃度(1×1014cm−3〜1×1018cm−3程度)を大きく超えるため、n型層15内の電子では、当該2次元正孔ガス層の正孔を相殺しきれないため、n型層15内にn型の不純物を意図的にドープする。また、上記2次元正孔ガス層の正孔密度(面密度)が1×1012cm−2を大きく越えていない場合でも、それに比して、ノンドープのn型層15内の酸素濃度が低い場合は、n型層15内にn型の不純物を意図的にドープする。
However, in addition to the case where the electron density (surface density) of the two-dimensional
n型の不純物を意図的にドープしたn型層15についての好適な製造条件等については、第1実施形態で上述したものと同じであるので、重複する割愛する。
Since suitable manufacturing conditions and the like for the n-
以上の結果、バッファ層12とn型層15間のヘテロ接合界面のn型層15側に発生し得る2次元正孔ガス層の正孔密度に応じた不純物濃度となるようにn型の不純物を有するn型層15を形成することで、n型層15の上面上に炭素濃度の高い耐圧層17を備える場合であっても、n型層15内の電子が当該2次元正孔ガス層の正孔と相殺し、当該2次元正孔ガス層の正孔密度が低下し、電気伝導度が大幅に低下するため、本積層基板2の横方向リークを大幅に低減できる。
As a result of the above, the n-type impurity is adjusted so that the impurity concentration corresponds to the hole density of the two-dimensional hole gas layer that can be generated on the n-
〈第3実施形態〉
第3実施形態に係る本積層基板3の構成例を、図3の構造断面図に示す。図3に示すように、本積層基板3は、基板11、基板11の上面上に形成されたバッファ層12、バッファ層12の上方に形成された電子走行層13、電子走行層13の上面上に形成された電子供給層14、バッファ層12の上面上、且つ、電子走行層13の下方に形成されたn型層15を備える。バッファ層12、電子走行層13、電子供給層14、及び、n型層15は、夫々順番に、第1、第2、第3及び第4半導体層に相当し、何れも、周知の気相エピタキシャル成長法(例えば、MOCVD(有機金属化学的気相成長法)、MBE(分子線エピタキシ法)等)によって形成されるIII族窒化物半導体である。
<Third Embodiment>
A structural example of the laminated substrate 3 according to the third embodiment is shown in the structural cross-sectional view of FIG. As shown in FIG. 3, the multilayer substrate 3 includes a
本積層基板3と第1実施形態の本積層基板1の相違点は、本積層基板3では、n型層15が単一層ではなく、n型の不純物の不純物濃度が互いに異なる2層以上のn型層15a,15bで構成されている点であり、基板11、バッファ層12、電子走行層13、及び、電子供給層14については、第1実施形態の本積層基板1と同じであり、重複する説明は割愛する。
The difference between the present laminated substrate 3 and the present
尚、図3の断面構造では、n型層15は、2層のn型層15a,15bで構成される場合を例示しているが、n型層15を構成する層数は3以上であっても良い。
In the cross-sectional structure of FIG. 3, the n-
更に、図3に例示する断面構造では、n型層15の上面上には、電子走行層13が配置されているが、第2実施形態と同様に、n型層15と電子走行層13の間に耐圧層17を設けても良い。尚、耐圧層17は、第2実施形態の本積層基板2と同じであり、重複する説明は割愛する。
Further, in the cross-sectional structure illustrated in FIG. 3, the
上述の第1及び第2実施形態の本積層基板1,2において、単一層で形成されたn型層15が、n型の不純物を高濃度でドープした高濃度ドープ層である場合に、n型層15内の内部電界が高くなり、ノンドープ層の場合及びn型の不純物が低濃度である場合に比べて縦方向の耐圧が低下する。
In the
そこで、本実施形態では、n型層15を2層以上のn型層15a,15bに分割して、n型の不純物の不純物濃度を下層側ほど高く、上層に向けて低下するように構成する。かかる多層構造とすることで、その中に低濃度層が含まれることで、縦方向の耐圧が改善される。ここで、下層側ほど不純物濃度を高くするのは、2次元正孔ガス層が下側のバッファ層12との界面近傍で発生するので、当該2次元正孔ガス層の正孔と相殺する電子の供給量の大きい不純物濃度の高い層を、2次元正孔ガス層の発生箇所近くに配置するためである。
Therefore, in the present embodiment, the n-
多層構造のn型層15の最上層は、n型の不純物を意図的にドープしないが、酸素が1×1014cm−3〜1×1018cm−3程度の濃度範囲で含まれるn型ノンドープ層であっても良い。この場合は、上記耐圧の改善が特に期待される。
The uppermost layer of the n-
多層構造のn型層15の各層の厚さ及び不純物濃度は、n型層15内の電子と相殺される前の当該2次元正孔ガス層の正孔密度に応じて決めれば良い。一例として、n型層15をn型層15a,15bの2層で構成する場合、上層のn型層15bをノンドープ層とし、下層のn型層15aをドープ層として、n型層15aの不純物濃度を、当該2次元正孔ガス層の正孔密度に応じて、上層のn型層15bから供給される電子で相殺しきれない正孔を相殺できるように設定する。この場合、下層のn型層15aの厚さを、例えば、1nm以上、5nm以下より好ましくは3nm以下とし、n型層15全体の厚さを、例えば、100nm以下とするのが好ましい。
The thickness and impurity concentration of each layer of the n-
以上の結果、バッファ層12とn型層15間のヘテロ接合界面のn型層15側に発生し得る2次元正孔ガス層の正孔密度に応じた不純物濃度となるようにn型の不純物を意図的にドープしてn型層15を形成する場合に、当該n型の不純物が高濃度となり、縦方向の耐圧の低下が懸念される場合においても、n型層15を多層構造とし、不純物濃度を下層側ほど高く設定することで、当該耐圧の低下を抑制しつつ、n型層15内の電子が当該2次元正孔ガス層の正孔と相殺し、当該2次元正孔ガス層の正孔密度が低下し、電気伝導度が大幅に低下するため、本積層基板3の横方向リークを大幅に低減できる。
As a result of the above, the n-type impurity is adjusted so that the impurity concentration corresponds to the hole density of the two-dimensional hole gas layer that can be generated on the n-
〈第4実施形態〉
第4実施形態に係る本積層基板4の構成例を、図4の構造断面図に示す。図4に示すように、本積層基板4は、基板11、基板11の上面上に形成されたバッファ層12、バッファ層12の上方に形成された電子走行層13、電子走行層13の上面上に形成された電子供給層14、バッファ層12の上面上、且つ、電子走行層13の下方に形成されたn型層15を備える。バッファ層12、電子走行層13、電子供給層14、及び、n型層15は、夫々順番に、第1、第2、第3及び第4半導体層に相当し、何れも、周知の気相エピタキシャル成長法(例えば、MOCVD(有機金属化学的気相成長法)、MBE(分子線エピタキシ法)等)によって形成されるIII族窒化物半導体である。
<Fourth embodiment>
A structural example of the
本積層基板4と第1実施形態の本積層基板1の相違点は、本積層基板4では、n型層15が単一層ではなく、n型の不純物となる元素が互いに異なる2層以上のn型層15c,15dで構成されている点であり、基板11、バッファ層12、電子走行層13、及び、電子供給層14については、第1実施形態の本積層基板1と同じであり、重複する説明は割愛する。
The difference between the present
尚、図4の断面構造では、n型層15は、2層のn型層15c,15dで構成される場合を例示しているが、n型層15を構成する層数は3以上であっても良い。
In the cross-sectional structure of FIG. 4, the n-
更に、図4に例示する断面構造では、n型層15の上面上には、電子走行層13が配置されているが、第2実施形態と同様に、n型層15と電子走行層13の間に耐圧層17を設けても良い。尚、耐圧層17は、第2実施形態の本積層基板2と同じであり、重複する説明は割愛する。
Furthermore, in the cross-sectional structure illustrated in FIG. 4, the
上述の第1及び第2実施形態の本積層基板1,2において、単一層で形成されたn型層15(In組成比X≠1の場合、一例としてGaNの場合)が、n型の不純物としてSiを用いて意図的にドープされたドープ層である場合に、Siは置換されるIII族原子のGaとは原子半径に差があるため、1×1019cm−3以上の高濃度のドープを行うと膜の3次元成長による表面荒れを引き起こし、上側の配置された電子走行層13或いは耐圧層17の結晶性を悪化させる。このため、バッファ層12とn型層15間のヘテロ接合界面のn型層15側に発生し得る2次元正孔ガス層の正孔密度に応じて、n型層15を高不純物濃度とすることが困難となる。また、格子不整合による当該n型層15内での引っ張り応力により膜成長中にウェハが反ってしまう傾向がある。
In the
一方、Geは、置換されるIII族原子のGaとは原子半径が近いため、n型の不純物としてSiを用いた場合の上記弊害が無く、3×1020cm−3以上の高濃度のドープが可能であり、上記2次元正孔ガス層の正孔密度に応じた広範囲での不純物濃度の設定が可能となる。 On the other hand, Ge has an atomic radius close to that of Ga of the group III atom to be substituted, and thus does not have the above-described adverse effects when Si is used as an n-type impurity, and has a high concentration of 3 × 10 20 cm −3 or more. It is possible to set the impurity concentration in a wide range according to the hole density of the two-dimensional hole gas layer.
そこで、本実施形態では、n型層15を2層以上のn型層15c,15dに分割して、下層側のn型層15cのn型の不純物としてGeを用い、上層側のn型層15dのn型の不純物としてSiを用いる。この場合、上記2次元正孔ガス層は、バッファ層12と下層側のn型層15c間のヘテロ接合界面のn型層15c側に発生するので、下層側のn型層15cの不純物濃度を、当該2次元正孔ガス層の正孔密度に応じて広範囲に設定することが可能となる。上層側のn型層15d内の電子でも当該2次元正孔ガス層内の正孔を相殺することができ、更に、n型層15の上側の半導体層において圧縮応力が発生する場合には、上層側のn型層15dで生じる引っ張り応力と当該上側の半導体層において生じる圧縮応力が打ち消し合って、膜成長中にウェハが反って割れてしまうのを抑制できる。具体的には、n型層15の上面上に耐圧層17が設けられている場合、その耐圧層17が圧縮応力を発生する上記半導体層に該当する。
Therefore, in this embodiment, the n-
以上の結果、バッファ層12とn型層15間のヘテロ接合界面のn型層15側に発生し得る2次元正孔ガス層の正孔密度に応じた不純物濃度となるようにn型の不純物を意図的にドープしてn型層15を形成する場合に、n型層15を多層構造とし、バッファ層12と接する下層側のn型層15cの不純物を、置換される原子と原子半径の近い不純物(例えば、置換される原子がIII族のGaの場合には、Ge)とすることで、当該2次元正孔ガス層が発生する領域近傍の不純物濃度を、正孔密度に応じて高濃度にしても、3次元成長による表面荒れを引き起こすこと、並びに、上側の配置された電子走行層13或いは耐圧層17の結晶性を悪化させることが回避できる。更に、n型層15dの上面上に形成される半導体層に圧縮応力が生じる場合に、上層側のn型層15dに、引っ張り応力の生じる不純物をドープしたドープ層として、2種類の応力を打ち消し合うことで、当該応力によるウェハの反り及び割れ等を回避できる。更に、第3実施形態において上述したように、不純物濃度を下層側ほど高く設定することも可能であり、縦方向の耐圧の低下を抑制しつつ、本積層基板4の横方向リークを大幅に低減できる。
As a result of the above, the n-type impurity is adjusted so that the impurity concentration corresponds to the hole density of the two-dimensional hole gas layer that can be generated on the n-
〈第5実施形態〉
次に、第1乃至第4実施形態で説明した本積層基板1〜4を用いて構成される半導体スイッチング素子(以降、適宜「本スイッチング素子」と称する)の構成例を、図5〜図8の構造断面図に示す。尚、図5〜図8では、第1実施形態の本積層基板1を用いる場合を一例として示すが、使用する本積層基板は、第2乃至第4実施形態で説明した本積層基板2〜4であっても良く、また、本積層基板1〜4を基礎として変形されたものであっても良い。
<Fifth Embodiment>
Next, a configuration example of a semiconductor switching element (hereinafter, referred to as “the switching element” as appropriate) configured using the
図5に示す本スイッチング素子5は、図1に示す本積層基板1と、本積層基板1の電子供給層14の上面上に形成されたソース電極18及びドレイン電極19と、ソース電極18とドレイン電極19の間の電子供給層14の上方に、ゲート絶縁膜20を介して形成されたゲート電極21を備えて構成される。
The switching element 5 shown in FIG. 5 includes the
図6に示す本スイッチング素子6は、図1に示す本積層基板1と、本積層基板1の電子供給層14の上面上に形成されたソース電極18及びドレイン電極19と、ソース電極18とドレイン電極19の間の電子供給層14の上面上に形成された、電子供給層14とショットキ接合するゲート電極22を備えて構成される。
The switching
図7に示す本スイッチング素子7は、図1に示す本積層基板1と、本積層基板1の電子供給層14の上面上に形成されたソース電極18及びドレイン電極19と、ソース電極18とドレイン電極19の間の電子供給層14の上方に、p型層23を介して形成されたゲート電極24を備えて構成される。
The switching
図8に示す本スイッチング素子8は、図1に示す本積層基板1と、本積層基板1の電子供給層14の上面上に形成されたソース電極18及びドレイン電極19と、ソース電極18とドレイン電極19の間の電子供給層14のエッチングにより薄膜化された部分の上に形成された、電子供給層14とショットキ接合するゲート電極25を備えて構成される。
The switching
本スイッチング素子5〜8のソース電極18とドレイン電極19は、電子供給層14とオーミック接合する周知の単層または多層構造の金属材料で形成されている。当該電極18,19の金属材料としては、例えば、Ti、Ni、Al、Cu、Au、Pt、W、Ta、Ru、Ir、Pd、Hf等が使用でき、更に、これらの何れか1以上を含む合金または窒化物等も使用できる。更に、多層構造の場合は、Ti/Al/TiN、Ti/Au、Ti/Al/Ni/Au等が使用できる。
The
本スイッチング素子5のゲート電極21は周知の単層または多層構造の金属材料で形成されている。ゲート絶縁膜20は周知の絶縁材料(例えば、SiOX、AlOX、HfOX、LaOX、ZrOX、YOX、SiN、AlN等)で形成されている。本スイッチング素子6のゲート電極22は電子供給層14とショットキ接合する周知の単層または多層構造の金属材料で形成されている。本スイッチング素子7のゲート電極24は周知の単層または多層構造の金属材料で形成されている。p型層23は、p型の不純物(例えば、Mg等)がドープされたIII族窒化物半導体(例えば、電子供給層14と同じAl組成比のAlGaN等)からなる。本スイッチング素子8のゲート電極25は電子供給層14とショットキ接合する周知の単層または多層構造の金属材料で形成されている。各ゲート電極21,22,24,25の金属材料としては、例えば、Ti、Ni、Al、Cu、Au、Pt、W、Ta、Ru、Ir、Pd、Hf等が使用でき、更に、これらの何れか1以上を含む合金または窒化物等も使用できる。更に、多層構造の場合は、W/TiN、W/WN、Ni/Au、Pd/Au等が使用できる。尚、ゲート電極21はゲート絶縁膜20上に形成されるため、電子供給層14とショットキ接合する必要がなく、材料選択に係る制約は少ない。また、ゲート電極24では、Niを含む場合が多い。
The
図7及び図8に図示するように、本スイッチング素子7,8は、ゲート電極24,25の電位がソース電極18と同電位、或いは、ゲート電極24,25がフローティング状態の場合に、ゲート電極24,25の直下の電子走行層13と電子供給層14の界面下方のチャンネルが空乏化して2次元電子ガス層16が消滅するノーマリーオフ型の素子である。一方、図5及び図6に示す本スイッチング素子5,6は、図9に示す従来のスイッチング素子と同様に、ノーマリオン型の素子である。
As shown in FIGS. 7 and 8, the
尚、図5〜図8に例示する本スイッチング素子5〜8の各素子構造(特に各電極周辺の構造等)は一例であり、本積層基板1〜4は、上記素子構造以外の半導体スイッチング素子にも適用することができる。
Note that each element structure (especially a structure around each electrode) of the switching elements 5 to 8 illustrated in FIGS. 5 to 8 is an example, and the
〈別実施形態〉
以下に、本発明回路の別実施形態につき説明する。
<Another embodiment>
Hereinafter, another embodiment of the circuit of the present invention will be described.
上記各実施形態では、本積層基板及び本積層基板を用いた本スイッチング素子の好適な実施形態の一例を詳細に説明した。本積層基板及び本スイッチング素子の構成は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形実施が可能である。 In each of the above embodiments, an example of a preferred embodiment of the present laminated substrate and the present switching element using the present laminated substrate has been described in detail. The configurations of the multilayer substrate and the switching element are not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
〈1〉 上記第1〜第4実施形態では、電子走行層13と電子供給層14間のヘテロ接合界面に発生する第1の2次元キャリアガス層が2次元電子ガス層16である場合を想定したが、本発明は、第1の2次元キャリアガス層が2次元電子ガス層16である場合に限られるものではなく、第1の2次元キャリアガス層が逆の導電型の2次元ホールガス層である場合にも、本積層基板1〜4のn型層15の導電型をn型からp型に置き換えp型層とすることで、本発明を適用できる。但し、p型層の場合には、p型の不純物のドープを意図的に行う必要がある。尚、窒化物半導体にあっては、ホールよりも電子の移動度が大きいため、第1の2次元キャリアガス層を構成するキャリアが電子の場合(2次元電子ガス層)が好ましい。
<1> In the first to fourth embodiments, it is assumed that the first two-dimensional carrier gas layer generated at the heterojunction interface between the
〈2〉 上記第2実施形態では、耐圧層17をn型層15の上面上、且つ、電子走行層13の下方に形成する場合を想定したが、耐圧層17とn型層15を、夫々、バッファ層12の上面上、且つ、電子走行層13の下方の本積層基板2の厚み方向における同じ領域に重ねて形成するようにしても良い。つまり、上記第1実施形態の本積層基板1のn型層15内に炭素濃度が1×1018cm−3以上の領域を含む場合と同等となる。この場合も、上記第1及び第2実施形態の本積層基板1,2と同様に、炭素濃度の高い耐圧層17を備える場合であっても、n型層15内の電子が当該2次元正孔ガス層の正孔と相殺し、当該2次元正孔ガス層の正孔密度が低下し、電気伝導度が大幅に低下するため、本積層基板1の横方向リークを大幅に低減できる。
<2> In the second embodiment, it is assumed that the
〈3〉 上記第3実施形態では、本積層基板3のn型層15内のn型の不純物の不純物濃度を下層側ほど高く、上層に向けて、複数層に分割して段階的に低下する場合を想定したが、当該不純物濃度を、n型層15全体、或いは、分割された一部の層において、下層側から上層に向けて連続的に低下する不純物濃度分布にしても良い。
<3> In the third embodiment, the impurity concentration of the n-type impurity in the n-
〈4〉 上記第4実施形態では、図4に例示する一例では、本積層基板4のn型層15をn型層15c,15dの2層に分割して、下層側のn型層15cのn型の不純物としてGeを用い、上層側のn型層15dのn型の不純物としてSiを用い、更に、下層側のn型層15cの不純物濃度を、上層側のn型層15dより高く設定した場合を説明したが、n型の不純物となる元素が互いに異なる2層以上のn型層15c,15dの不純物濃度は必ずしも、上記第3実施形態のように、下層側ほど高く、上層に向けて低下する濃度分布に設定しなくても良く、各n型層の濃度分布を同じにしても良い。
<4> In the fourth embodiment, in the example illustrated in FIG. 4, the n-
〈5〉 更に、上記第4実施形態では、n型の不純物となる元素が互いに異なる2層以上のn型層15c,15dは、何れも、各層のn型の不純物が意図的にドープされている場合を想定したが、当該2層以上のn型層の最上層は、n型の不純物を意図的にドープしないが、酸素が1×1014cm−3〜1×1018cm−3程度の濃度範囲で含まれるn型ノンドープ層であっても良い。
<5> Furthermore, in the fourth embodiment, each of the two or more n-
本発明に係る半導体積層基板は、半導体スイッチング素子に利用可能であり、特に、パワーデバイスに適用される半導体スイッチング素子において好適に利用可能である。 The semiconductor multilayer substrate according to the present invention can be used for a semiconductor switching element, and can be suitably used particularly for a semiconductor switching element applied to a power device.
1〜4: 半導体積層基板
5〜8: 半導体スイッチング素子
11,101: 基板
12,102: バッファ層(第1半導体層)
13,103: 電子走行層(第2半導体層)
14,104: 電子供給層(第3半導体層)
15: n型層(第4半導体層)
15a,15b: 不純物濃度の異なるn型層
15c,15d: 不純物元素の異なるn型層
16,110: 2次元電子ガス層(第1の2次元キャリアガス層)
17,111: 耐圧層
18,106: ソース電極
19,107: ドレイン電極
20,109: ゲート絶縁膜
21,22,24,25,108: ゲート電極
23: p型層
100: 従来の半導体スイッチング素子
105: 従来の半導体積層基板
112: 2次元正孔ガス層(第2の2次元キャリアガス層)
113: 空乏層
1-4: Semiconductor laminated substrate 5-8:
13, 103: Electron traveling layer (second semiconductor layer)
14, 104: Electron supply layer (third semiconductor layer)
15: n-type layer (fourth semiconductor layer)
15a, 15b: n-type layers having
17, 111: Withstand
113: Depletion layer
Claims (5)
前記第2半導体層が前記第1半導体層の上方に配置され、
前記第3半導体層が前記第2半導体層の上面上に配置され、
前記第4半導体層が前記第1半導体層の上面上、且つ、前記第2半導体層の下方に配置され、
前記第2半導体層及び前記第4半導体層のバンドギャップが夫々前記第1半導体層より小さく、
前記第3半導体層のバンドギャップが前記第2半導体層より大きく、
前記第2半導体層と前記第3半導体層が、ヘテロ接合し、前記第2及び第3半導体層間の界面の前記第2半導体層側に第1の2次元キャリアガス層が発生可能に構成され、
前記第2半導体層の下面側界面、及び、前記第4半導体層の上面側界面において、他方側の半導体層との間のバンドギャップ差が、無いか、若しくは、前記第1の2次元キャリアガス層とは逆導電型の第2の2次元キャリアガス層が発生し得ない程度に微小であり、
前記第1半導体層と前記第4半導体層がヘテロ接合し、
前記第4半導体層に、前記第1の2次元キャリアガス層を形成するキャリアと同じ導電型の不純物が存在することを特徴とする半導体積層基板。 Comprising first, second, third and fourth semiconductor layers of nitride semiconductor;
The second semiconductor layer is disposed above the first semiconductor layer;
The third semiconductor layer is disposed on an upper surface of the second semiconductor layer;
The fourth semiconductor layer is disposed on an upper surface of the first semiconductor layer and below the second semiconductor layer;
Band gaps of the second semiconductor layer and the fourth semiconductor layer are smaller than the first semiconductor layer, respectively.
A band gap of the third semiconductor layer is larger than that of the second semiconductor layer;
The second semiconductor layer and the third semiconductor layer are heterojunctioned, and a first two-dimensional carrier gas layer can be generated on the second semiconductor layer side of the interface between the second and third semiconductor layers,
There is no band gap difference between the other semiconductor layer at the lower surface side interface of the second semiconductor layer and the upper surface side interface of the fourth semiconductor layer, or the first two-dimensional carrier gas. The layer is so small that a second two-dimensional carrier gas layer of a reverse conductivity type cannot be generated,
The first semiconductor layer and the fourth semiconductor layer are heterojunction,
A semiconductor multilayer substrate, wherein the fourth semiconductor layer contains impurities of the same conductivity type as carriers forming the first two-dimensional carrier gas layer.
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-
2013
- 2013-11-29 JP JP2013247694A patent/JP2015106627A/en active Pending
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